摘要：引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为例，探讨研究辅助施工支洞对深埋特长隧洞TBM施工的工程风险。
关键词：深埋特长隧洞；施工支洞；TBM施工组织
1 前言
TBM具有施工速度快、效率高、隧道成型好、对周边环境影响小以及作业安全等优点，目前已成为世界长大隧道施工最有效、最先进的大型综合性施工设备之一。在特长深埋隧道施工过程中，受埋深大、工期制约、经济效益和生态环境有重大影响而开挖工作面又受到限制的情况下，为满足高效、节能、环保、安全等要求，在满足TBM施工使用条件下，采用全断面隧道掘进机（TBM）施工将成为首选。本文以引汉济渭秦岭隧洞岭南TBM施工4号支洞方案研究，阐述辅助施工支洞对深埋特长隧洞TBM施工的影响，并探讨支洞设置对项目的重要意义。
2 工程概况
秦岭隧洞越岭段作为引汉济渭重点控制性工程，其长距离TBM掘进、施工通风、施工排水及辅助坑道设置为本工程的重难点之一，其中岭脊段最大高程2535m，最大埋深2000m，隧洞埋深最大处原岩温度大于28℃。两台TBM施工段长达35.26km，岭南TBM进洞的3号支洞斜长达3.885km，该段不增加辅助坑道则最长通风距离达24.1km（含支洞长度）。为解决岭南TBM施工及通风问题，施工支洞的合理设置非常重要。
引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程自3号支洞进入主洞延伸段下游1500m开始，标段全长18.717km（TBM后配套安装洞73.4m、TBM主机安装洞50m、TBM步进洞186.6m、TBM始发洞25m、TBM检修洞30m和TBM掘进施工段5084.994m＋13265m组成），施工桩号为K27+643.006～K46+360，TBM与岭北TBM在桩号K46+360贯通。为解决TBM长距离出渣和通风问题，设一座4号支洞和3号支洞。3号支洞口位于四亩地镇五根树村，4号支洞口位于四亩地镇麻房子村。本标段采用一台Φ8.02m敞开式硬岩掘进机施工，具体段落划分见图1。
通过对项目的工程地质、水文地质、工程不良地质及施工边界条件等进行分析，本工程重难点主要有高石英含量硬岩掘进、强岩爆地层施工、高岩温和长距离通风、断层破碎带施工、施工排水、大倾角皮带机出渣。
受秦岭自然保护区影响，越岭段4号支洞洞口位置无法向岭北移动，斜井位置主支洞交叉口里程为K33+080，和正洞垂直布置。4号支洞有轨支洞，采用钻爆法施工，平距1601m，斜距1713m，高差605.435m，综合坡度37.8%（底部30m设2%缓坡段，其余洞身段坡度38.5%），洞口设置端墙衬砌C20混凝土。洞身断面设计为圆拱直墙型，成洞尺寸4.5m×4.64m（宽×高），直墙高2.39m，圆弧半径2.25m。
3 4号施工支洞设计方案研究
特长隧道TBM施工组织影响因素主要有以下几点：长大隧洞TBM出碴、长大隧洞施工通风、长大隧洞TBM的可靠性、深埋隧洞施工排水、不良地质段的预处理、衬砌施工对TBM施工组织的影响等，在硬岩条件下的深埋特长隧洞采用TBM施工，施工支洞的设置对施工组织和项目的总体风险控制至关重要。结合地形地貌、工程地质和水文地质、施工工法、施工组织（运输、通风、排水等）、便道条件、场地布置、弃碴条件和施工条件等因素，对4号支洞方案的技术经济比较，优化方案，降低工程风险。
在满足工期、施组和投资较小的原则下，秦岭以南岭脊段采用有轨运输支洞（4号支洞）的实施方案，4号施工支洞的功能定位是为了解决TBM长距离独头施工的难题。4号支洞功能为负责解决正洞施工通风、出渣，利用支洞施做井底检修洞室，不考虑辅助正洞施工及正洞施工中的排水及进料，岭南全部TBM施工段利用3号支洞进料。
如图1所示该支洞将TBM掘进段分为两个阶段：第一阶段长5087m；第二阶段长13265m。TBM在第一阶段掘进过程中，利用3号支洞进行施工供料、通风、出渣、排水等工作。TBM在第二阶段掘进过程中，利用3号支洞进行施工供料、排水，利用4号支洞进行施工通风和出渣，同时也可作为应急排水通道。
4 4号支洞原方案研究
原设计4号支洞为有轨大坡度（37.8%）斜井，断面设计满足皮带出渣及单线轨道车运输人员下井作业（4.5m×4.64m）。
4.1大倾角斜井建井风险
铁路隧道有轨斜井施工长度均小于1000m，坡度为30%～40%，倾角小于24°，如兰武线乌鞘岭隧道、兰渝铁路木寨岭隧道等。煤矿有轨斜井建井技术较为成熟，煤矿超过1000m的有轨斜井工程有山东新泰协庄煤矿斜井、甘肃省海石湾煤矿，对于4号有轨支洞的自身建井可以实现，但存在施工难度大、施工风险高及施工组织困难等问题，需要克服涌水和岩爆的施工风险。
4.2大倾角连续皮带机出碴
利用4号斜井进行出碴的功能存在风险，作为坡度37.8%（20.7°），采用的有轨斜井连续皮带机出碴，普通皮带机无法满足要求。普通皮带机坡度一般不超过16°，超过16°后，运行过程中会发生石渣下滑、滚落和撒料等情况，特别在岩渣不均匀的情况下，极易发生安全事故。经过对甘肃省海石湾煤矿调研，采用大倾角皮带机出碴存在以下风险：
大倾角连续皮带机结构复杂且受场地条件制约，组装时间长且难度大；大倾角连续皮带机管理难度大、检修强度高；受地下水和施工用水影响，大倾角皮带机运输能力将降低，严重制约施工进度；受岩爆影响，渣土不均匀影响，不可避免会出现大块石渣向下滚动滑落现象，威胁施工人员和设备安全，借鉴煤矿工程经验需要在井底增设二次破岩设备，增加了出碴管理环节。大倾角连续皮带机出碴的研究结论是煤矿工程高强度皮带机有应用案例可以实现，但是存在故障率高、管理难度大、安全风险及一次性投入等问题。
4.3长大隧洞施工通风
有轨斜井能解决长大隧洞施工通风，通风距离由不设支洞的独头通风24.1km调整为第一阶段11.4km和第二阶段14.9km。
4.4深埋隧洞施工排水
有轨斜井能解决应急排水的的难题，隧洞反坡掘进当TBM掌子面发生突涌水时，可以利用建井期间改装的排水系统进行应急排水。
4.5设备检修功能
本工程Ⅰ、Ⅱ类围岩占掘进长度89%，以花岗岩（约14km）、石英岩（约0.7km）及闪长岩（约4km）为主，围岩完整坚硬，其干燥状态下围岩抗压强度最大为216～242MPa，耐磨性指数4.14～4.53，对TBM设备本身质量和管理提出极高的要求。但是面对秦岭隧洞岭南段工程地质的特殊性，设备在长距离、高温、高湿、高地应力、突涌水、高振动等恶劣条件下施工仍存在不可预见的风险。岭南石英岩、花岗岩、闪长岩完整性好，石英含量高，根据西康铁路秦岭隧道的TBM施工经验，Ⅱ类围岩每掘进1.8m，单循环掘进时间超过为1.5小时，本项目Ⅰ、Ⅱ类围岩合计16333m，如果都按照Ⅱ类围岩预计纯掘进时间，本工程TBM主轴承共需运转13610小时，主轴承设计寿命15000小时，富余量不多。
本工程围岩强度高、耐磨性好、完整的硬岩及频繁的岩爆对刀盘整体结构的刚度、耐磨性提出了极高的要求。刀盘长时间在大推力工况条件下掘进，刀盘本身极易因疲劳、磨损而需要维修，刀盘修复客观存在且需要花费时间，且刀盘结构不断磨损、多次洞内修复，自身刚度也会不断降低而形成恶性循环，使TBM施工效率将大大降低，进而将影响到整个工程的顺利完成。
TBM长距离掘进，施工支洞的划分应尽可能将两个掘进段合理分配，同时4号支洞断面较小，不满足大件运输条件，施工支洞设置不利于设备检修。为降低上述风险，施工支洞的划分时4号支洞的设置应尽可能将两个掘进段合理分配，同时该支洞具备检修功能，具备运送刀盘的功能，当TBM刀盘出现问题可以采取措施进行大修或者更换，降低工程风险，使工程整体可控。
4.6长距离混凝土运输功能
TBM掘进段初期支护结构将作为永久结构，混凝土质量要求高。根据TBM施工组织洞内支护所需的喷浆料需从3号支洞洞口运送至施工作业面，运输距离按5.5公里汽车运输+18.3公里有轨运输考虑，受衬砌作业面和无轨运输转有轨运输影响，最长运输时间将达到3.5小时，将对喷浆料的质量造成影响。因此从3号支洞供料本身的施工效率和工程质量角度考虑，工效低、混凝土质量难保证。
4.7秦岭特殊地质掘进的工期风险
本工程TBM掘进段以Ⅰ、Ⅱ类围岩占掘进长度89%，以花岗岩、石英岩及闪长岩为主，围岩较完整坚硬，耐磨性强。第二段花岗岩掘进段包括3km的Ⅰ类围岩，岩石完整坚硬，围岩的可掘性差，依据西康铁路秦岭Ⅰ线隧道实例，TBM在Ⅰ类围岩中掘进每循环进尺（1.8m）纯掘进时间为2.5小时左右，极端条件下每个循环超过5小时，平均掘进能力仅为200-250m/月。TBM在长距离、高温、高湿、高地应力岩爆、突涌水、高振动等恶劣条件下施工仍存在不可预见的风险。按照计划平均掘进进尺约为480m/月，施工指标较高，4号支洞有轨斜井无法缓解项目的工期风险。
5 4号支洞有轨斜井功能调整研究
若调整功能，TBM第二施工阶段利用4号支洞作为辅助施工支洞，从4号支洞具备出碴、进料、通风、应急排水、具备局部接应功能、优化施工组织分析，同时降低自身建井的风险及难度，将有轨斜井调整优化为无轨斜井运输。因沿线只有在原4号支洞口位置布置洞口较为合理具备设洞口位置，主支交叉口向下游偏移5325130m，即支洞与正洞相交于主洞K38+40210。支洞轴线与主洞上游方向水平夹角为16°54′50″；支洞平距5876784m，斜距55115820m；斜井高差为605.43524.26m，综合纵坡-101.791%，最大纵坡-11.96%；考虑每500m设置一道缓冲坡，坡长30m，坡度3%，会车道每500米设置一处，满足TBM第二阶段TBM施工期间皮带固定运输、出渣及施工进料、检修等，考虑施工工期及类似工程等，综合确定按双车道设计，断面净空尺寸6.7m×6.57m（宽×高）。支洞功能调整后4号支洞布置见图2。
图2 引汉济渭工程秦岭隧洞岭南工程功能调整后布置图
5.1长大隧洞施工通风
有轨斜井能解决长大隧洞施工通风，施工通风距离TBM由不设支洞的独头通风24.1km调整为第一掘进阶段161.144km（含3号支洞3.8km）和第二掘进阶段13.7814.9km（含4号支洞5.8km）。因3号支洞上游已经贯通，方案调整前TBM掘进段通风长度分别为6.9km和13.2km，无轨支洞调整后TBM掘进段通风长度分别为12.2km及7.9km，TBM掘进段通风距离变化不大且有利于第二掘进段岭脊段高地温通风。
5.2长大斜井建井风险
开挖4号支洞开挖及出碴采用凿岩台车掘进、装载机装碴、翻斗汽车出碴运输的施工方案方式；初期支护采用湿喷混凝土浆方式，钢支撑、网片及锚杆视具体围岩情况施做。设置缓坡平台和防撞墩等措施预防运输风险，采用机械化施工碴场距洞口距离为10.5km，运距较远，综合考虑后洞内运渣车和洞外运渣车分开进行配置，并在洞口附近设置转渣场1个降低了4号支洞施工安全风险，同时降低了施工难度。
5.3 TBM出碴运输功能
TBM掘进段出碴全部采用连续皮带机出渣运输，掘进到达4号支洞后转场利用4号支洞皮带机出碴。第一掘进段全部施工材料经3号支洞无轨运输至TBM安装洞内转为有轨运输方式，第二掘进段施工材料经4号支洞无轨运输至TBM检修洞内转有轨运输方式，混凝土的质量得到了保证。。
5.4深埋隧洞施工排水
方案优化后能解决应急排水的的难题，隧洞反坡掘进当TBM掌子面发生突涌水时，可以利用建井期间安装的排水系统进行应急排水。
5.5降低工期风险
TBM在秦岭特殊地质段施工，围岩完整性好、强度高、耐磨性好，掘进进度指标极低。隧道存在岩爆等不良地质，预计施工难度大、风险高，对工期影响较大。根据工程地质情况，4号支洞功能定位上在条件允许时可考虑接应功能施工部分正洞，以降低工期风险。
经过投资分析，4号支洞投资增加，但考虑到工程的风险可控，方案最终确定优化为无轨斜井，方案优化后TBM施工的工区划分更加合理有利于施工组织，当TBM遇到不良地质影响时，4号支洞具有辅助施工正洞功能，降低了工期风险、解决了大倾角皮带机出碴风险，具备TBM检修功能，降低了安全风险，有利于施工环境的改善，降低了施工质量风险，有利于工程总体投资控制，对工程具有积极意义。
4号支洞碴场设置在陕西省宁陕县四亩地镇柴家关村附近，
2.不良地质
不良地质主要有硬岩开挖、岩爆、涌水。主要施工方案
（1）石方洞挖：开挖工作面采用多功能台架人工手持风钻钻孔，人工装药光面爆破，采用小挖机配合出渣及找顶。
（2）出渣：在提升系统未建成前采用卷扬机提升4m3矿车出渣；提升系统建成后，支洞开挖面出渣采用1台小型挖掘机装渣。支洞内布置单车道。支洞口安装单滚筒提升机，洞内采用6m3矿车运渣至洞外卸渣栈桥，自卸汽车倒运至弃渣场。
3.2 施工场地
为保证盾构顺利始发，盾构始发时要求车站最少提供100m车站结构作为始发场地，同时提供约1500平方米的地面场地作为后配套辅助设施场地。如场地限制，盾构始发场地不足，则需要进行盾构分体始发。（即：在始发时仅将盾构机主机及部分台车吊入始发井进行拼装，将剩余的后配套台车放置于地面上，待盾构机掘进一段距离后，再将剩余台车进行拼装。）
3.3 盾构掘进速度
盾构掘进速度与工程地质条件、盾构机选型、掘进管理水平、地面建筑物、地下管线保护要求等因素均密切相关，它直接影响到盾构的施工筹划。
3.4 盾构转场方式
盾构机、的转场方式一般分为三种：①盾构过站；②盾构调头；③盾构吊出转场。这三种作业方式对邻接车站的结构、盾构施工场地、工程造价均会产生重大影响。
a盾构过站：
一台盾构掘进完一段区间隧道，在井下通过车站移动到另一个区间继续向前掘进时，需盾构过站。
优点：盾构过站所需转场时间较少；在井下直接通过对地面交通疏解无影响。
缺点：对车站工期要求高；车站结构需加宽、加深，对车站施工干扰大。
b盾构调头：
盾构掘进完一段区间，在工作井内调头后继续施工。
优点：盾构调头所需转场时间较少；对地面交通疏解无影响；
缺点：对车站施工有一定干扰，车站端头井处立柱需后做；施工过程中电瓶车水平运输运距长。
c盾构吊出转场
优点：车站结构无需变动；对车站施工使用影响小；局部方案调整对全线施工组织影响小，施工灵活性大。
缺点：转场时间较长；盾构吊装费用高。
3.5 不良施工地段的预处理
在施工前需要对施工区域内的地质情况进行详细的探查，同时对不利于盾构施工的地层进行预处理（如强度较高的岩体、孤石）需提前预处理，对于基础较为薄弱的建筑物需要进行加固处理等。
4 石家庄地铁1号线06标段工程实例应用
4.1 施工组织细致筹划
对于大型设备投入的施工项目来说，前期筹划对项目工程进展起着至关重要的作用。
石家庄地铁1号线06标段在2013年2月份开始进行盾构施工的筹划工作。
根据石家庄市轨道交通1号线初步策划，06标段需投入盾构2台。盾构均由体育场站西端头第一次始发，掘进至省博物馆站东端头后将盾构吊出转场至体育场站东端头进行第二次始发，最后由北宋站西端头吊出退场。具体情况如图1所示：
图1
项目人员进场后，认真分析了项目施工总工期、车站施工条件、经济适用性等因素，认为初步设计存在可优化的条件。
①根据现场调查，省博物馆站站址内人流量大、环境复杂、地下管线众多，前期征拆工作难度大。为地下三层结构车站。先施工省博物馆站-体育场站区间，难以保证省博物馆站盾构接收井的完成时间。北宋站施工环境较为优良，并且车站结构较为简单。经过综合比选，最后调整施工方案为优先施工体育场站-北宋站区间。
②标段工程4条盾构隧道总长为3304.716单延米。根据类似地层的施工经验，盾构在该地层下的施工工效平均为9.6米/天，盾构每次吊出转场用时约45天，使用1台盾构预计可用时17个月完成标段内所有区间隧道施工。若2014年4月份开始盾构施工，2015年8月份可实现洞通，能够满足2015年11月全线贯通的主要节点。
③标段在策划中期，部分人员考虑将盾构转场调整为调头施工。根据方案对比分析，北宋站车站施工与盾构施工隶属于不同施工单位，协调难度较大；而省博物馆站端头井立柱的施工则制约附属结构管线的迁改，对后期工期影响较大。本着安全、经济、高效的原则，最终决定盾构3次转场均采用吊出转场的方式。
④施工调查
石家庄地铁1号线06标段在盾构施工前1年时间就开始进行盾构沿线的调查工作，经过工作人员与勘察单位的合作，进行大量现场走访、调查，明确了沿线所有建（构）筑物及地下管线的修建年代、构造形式、埋深。对危险性较大的建筑提前与产权单位进行沟通并进行加固方案的设计，确保了盾构始发条件的完善及施工安全。
4.2 施工过程精心优化
石家庄地铁1号线06标段根据盾构前期策划，精心优化方案、组织施工、提高效率，确保了盾构掘进施工生产顺利。
4.2.1 优化方案
在进行体-北区间左线第一次盾构始发时，因受交通疏解影响，体育场站仅能提供84m车站结构作为盾构始发场地。为保证顺利始发，预先对车站出土口位置进行了不同的调整，将左线的出土口设置在距离端头66m处，而将右线出土口设置在距离端头74m处。
这样，在左线盾构始发时因受场地长度限制，对盾构进行了改装，将原本第六节台车的功能使用临时设备进行了替代，仅拼装了五节台车。这虽然增大了施工的难度，却能提前3个月始发，确保了总工期的实现。
在进行右线始发时，因车站后续结构已经完成，盾构能够整机始发，在进行前100环隧道施工时的功效能够提升至9.6米/天。
图2 盾构第一次始发时车站内盾构机布置图
图3 体育场站-北宋站区间两次始发时盾构机布置平面图
4.2.2 提高效率
①场地布置
在进行场地布置时，将渣土坑布置在临近出土口处，将管片存放布置在临近盾构井处。这样，在进行渣土及管片吊装时，使用出土井口进行渣土吊装，使用盾构井进行管片吊装，减少了龙门吊行走距离，加快了装运时间。
图4 盾构施工场地平面布置图
②电瓶车及轨道配置
根据施工组织设计，每推进一环需要运输管片1环（6小块）、同步注浆浆液4.5～7.5立方米，需要外运渣土43立方米。现场根据施工需要，配置了两列编组车，每列编组由1台电瓶车、3台贮量16立方米的渣土车、1台贮量8立方米的浆液运输车及2台管片车（每台可运送3小块管片）组成。一列编组列车满足一环隧道掘进所需的管片、同步注浆浆液及渣土运输需求。同时在装卸区合理布置道岔，确保两列编组能够循环作业。
图5 电瓶车组布置图
图6 车站内道岔布置图
③人员组织
施工现场根据需要合理安排岗位所需，选择具有丰富施工经验的队长、司机、土建工程师、机电工程师带领5多0名工人组成了两个盾构施工班，分白、夜班进行作业。每班配置设队长1名、土建工程师1名、机电工程师1名，盾构司机1名、管片拼装操作工1名、管片安装工2名、单/双轨梁操作工2名、同步注浆操作工1名、电工1名、机修工3名、电瓶车司机2名、充电工1名、司索工4名、设拌合站操作工2名、龙门吊司机1名、防水工2名，杂工3名。
④设备保养
盾构的性能决定了施工的安全、质量、进度。现场施工过程中，由机电工程师负责全权负责设备的保养作业，定期对相关人员进行培训，帮助作业人员养成良好施工习惯，减少设备故障。如：每次注浆完成后及时清理管路、定期给盾构注入润滑油脂等。在石家庄地铁1号线06标段施工期间，盾构未出现一次故障，有效加快了施工进度。
结语
众多成功的工程实践证明，特长隧洞施工采用以TBM 为主、钻爆法为辅的联合施工方式，既可充分发挥TBM的掘进优势，又可利用钻爆法的灵活性特点，规避特殊地质条件下施工重大风险。深埋特长隧道受地形地貌和施工条件影响，施工支洞的设置对施工组织和项目的总体风险控制至关重要。影响盾构施工组织的因素较多，工期、成本、人员、设备、施工环境等都是重要决定因素。石家庄市城市轨道交通1号线06标段通过通过对4号支洞的方案优化，施工组织因素的提前预控和施工过程中的重点管控，实现了盾构施工比原工期策划提前了3个月始发保证了支洞施工安全，实现了辅助施工正洞功能，降低了工程风险，对深埋特长隧道施工组织有借鉴意义，确保了工期并通过优化施工组织减少了盾构投入（节省一台盾构）。通过本文分析，理清了影响盾构施工组织的控制因素和掘进施工效率的关系，对后续盾构施工提供了一定参考。
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论文作者:付卫新
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/22
标签：盾构论文; 隧洞论文; 斜井论文; 秦岭论文; 工程论文; 隧道论文; 围岩论文; 《基层建设》2018年第6期论文;